身为京师团练大臣，王懿荣根本没有军事指挥权。下属千余人，半是老弱残兵，而且缺乏武器，在敌人的洋枪、洋炮下形同虚设。
当时兵部侍郎李端遇（小研）又多病，因病请假，团练大臣的担子，就落在王懿荣一个人身上。为了能搞到武器，他四处奔走，但官场腐败，只有推诿，无人肯帮助。他只好向远在湖广（武汉）的妹夫张之洞求援，他写信道：
香涛妹倩老前辈亲家大人坐下：
得书如获拱壁，盖正在艰难忧愤中也。前已有另纸条闻数事，未具款，属玉叔令住附竹报中速上，刻想鉴及。弟自奉简命，实作看街老兵，朝廷亦尝以兵事责之。然自甲午以来，及今又六七年，中国兵事仍是不行。津事已极，则重臣之不得无罪，夫复何辞。鲰生一命，何足道哉！弟全眷俱在京寓，师旅饥馑，一时凑臻。好在为时亦不必能久。次儿崇烈先于五月十二日乞假携其妇子乘海宴轮船径归。里舍紫竹枪炮中弟又少此一种心事。至京师地面如甘军及义和团一日不出，便一日不得安靖，弟亦随时缓急，尽其心力之所能为者而已。前曾附片奏，向鄂局暂乞军械，交片传谕：团练只是弹压地方，与行军不同，即着自行酌核筹备。此一千五百人赤手白战，即有钱亦无处筹买。公能稍为损置相助否？此垂泣而道之者也。即颂勋安，并询合署清福。弟懿荣顿首。六月廿三日（7月19日）
王懿荣在极其艰难的条件下，仍日夜操劳，“往往夜晚漏三下，未即就眠，心力交瘁，殆难言喻。”他操练兵马，准备抵抗八国联军，决心与京城共存亡。
由西摩尔率领的八国联军，在廊坊沿途遭到义和团的猛烈袭击。义和团拆毁铁路，阻止侵略军前进。联军只好修一段路，再往前挪动一段，行动十分困难。与此同时，列强们开始策划更大规模的军事行动，各国都在大沽口增了兵。他们在五月十九日（6月15日）晚上，先后派出侵略军偷偷登岸，埋伏在塘沽火车站和大沽炮台的后侧。停泊在大沽口外的各国军舰也作了战斗部署。五月二十一日（6月17日）零点五十分，联合军舰队从海面和炮台后侧向大沽炮台猛攻，守军顽强还击，经六小时激战，因双方兵力相差悬殊，大沽炮台失守。联军从大沽登陆，打开了进攻天津和北京的门户，进一步扩大了侵略战争的规模。侵略军开始向北京入侵。
在义和团和部分清军已同列强进行殊死搏斗的形势下，清政府必须在战与和问题上做出抉择。对于这个问题，清政府高层内部意见分歧。许景澄、袁世凯等人以为清军无力与八国联军开战，说到底对任何一个国家作战也难以取胜！况且八个……，主张答应剿灭义和团，使联军停止进攻。光绪帝也支持这些人的主意，但把持朝政的载漪、刚毅等顽固派则坚决主张利用义和团去抗击列强，倾向于开战。慈禧太后在战与和问题上反复无常，但主要支持开战。这其中的缘故在于戊戌变法失败后，她为了巩固自己的统治地位，保证后党官僚不再受“归政”的威胁，一心想除掉光绪皇帝。但是帝后两党各有靠山，他们之间斗争由来已久。当时，沙俄支持后党，企图通过保住光绪皇帝的办法牵制慈禧及沙俄政府在华势力。慈禧太后也曾想玩弄手法，扬言光绪皇帝病危，想把光绪皇帝置于死地。不料，英、法等国公使，竟向总理衙门提出警告，慈禧这一计划未能成功。后来，慈禧又想立端亲王之子傅为大阿哥，准备废除光绪帝，但英、法、日等国又表示拒绝承认。慈禧太后对英、法、日等国阻挠她废除光绪皇帝，干涉朝廷内务，既恐慌又仇恨。八国联军突然攻陷大沽口炮台，气势汹汹地扑向天津、北京，引起了慈禧太后的极大猜疑。尽管洋人一再声明他们出兵是为了救护驻华使馆和侨民，还帮助中国镇压义和团运动，绝不是与清政府作对，但不管如何表白，慈禧还是担心洋人用兵是为了来救助光绪皇帝，影响她的统治。五月二十日（6月16日）连续四天召开御前会议，讨论对外宣战问题。这时，以端亲王载漪为首的主战派也放出风来，造谣说洋人用兵是为了让慈禧太后把权再交给光绪皇帝。她一听到这个消息，十分惊慌，也没有查一查是否属实，就草率下了决定。于五月十五日（6月21日），宣布朝廷对八个国家“宣战”并颁布了宣战诏书。
与此同时，慈禧太后还继续向帝国主义献媚，为对外投降预留后路，宣战后四天，慈禧太后就下令义和团和清军停止围攻使馆。命令军机大臣荣禄派人到各使馆商议和局，还在英使馆附近御河桥边，竖起“钦奉懿旨，力保使馆”的木牌。还向各国使领馆送面粉、蔬菜、瓜果等，来讨好各国列强。
王懿荣的锡拉胡同11号住宅，在王府井大街中段，距东华门近在咫尺，与皇宫大内相距甚近。住宅的第二进院落有一个小花园，花园中心地有一棵高大的枫树，枫树下有一口深井，平素为了安全起见，王懿荣就叫人在井口上放一块大横石，并请石匠为井作了一个围栏。当八国联军占领大沽口炮台的消息传到北京，王懿荣感到时局愈发严重了。他亲率仆人将井挖深、淘净。他面对这口老井，意味深长地对家人说：“此吾之止水也”。这是他告诉家人，一旦城破之日，这口井将是他最后的归宿。
据时任翰林院编修吴士后在《王文每公遗集》序中追忆：“时公（指王懿荣，作者注）会办京师团防。公退食之暇，校订栖霞牟陌人（庭）先生《同书尚书》手稿。顾谓士曰：‘对先生一生精力萃于是书、其精遂渊奥，有过于季逑、艮庭诸老者。吾誓必理而董之，以彰绝学，特世乱方殷，未知能卒业否？’因唏嘘慨叹，不能自己。指园中古井曰：‘他日若有非常之变，吾其得死所矣！’”
此时京城粮食的供应也断了。王懿荣在给天津的次子王崇烈（字汉辅）的信中讲道：“京师闭塞，若非尔谢仲廉母舅之接济，已成饿莩。……”
王懿荣仍每日到团练局率兵勇巡逻城防，四处购置武器，以应不测。这时，乡人潍县古董商人范维清又带着两麻袋甲骨抵京，他也高兴不起来，只是按二两银子一块结帐，劝范维清早早离京远离是非之地。他将甲骨全部堆在花园枫树下，只是下朝后以铜盘托出几片拓片成册而已。在战火烧到北京的前夕，他和仆人将这批甲骨秘密藏起来了。
义和团在北京烧杀抢掠，引起了京师地面混乱，光绪帝因义和团失控事大发雷霆，质问大臣们，为何不派兵弹压义和团。慈禧仍不想认错，她还是老调重弹道：“国亡在目前，若意拱手让之，我死无面目对列宗。一战而亡，不是更好吗？”
此时光绪帝完全被慈禧软禁，他就像一尊木偶像，慈禧在背后扯什么线，他就发什么腔。比如，以他的名义发出的宣战诏书，根本看不出要和那一国或那几国宣战。这道诏书没有点出任何国家的名字，也从未以任何形式送达给任何国家。诏书是这样写的：
朕今涕泣以告先庙，慷慨以誓师之，与其苟且图存，贻羞万古，孰若大张挞伐，一决雌雄。连日召见大小臣工，询谋佥同。近畿及山东等省义兵，同日不期而集者不下数十万人，下至五尺童子，亦能执干戈以卫社稷。彼仗诈谋，我恃人心。无论我国忠信甲胄，礼义士橹，人人敢死，即土地广有二十余省，人民多至四百余兆，何难翦彼凶焰，张我国威。
真是荒唐的年月，荒唐的朝廷，荒唐的诏书。
大沽口炮台失守后，传来消息，炮台守将罗荣光吞金自杀，阵亡将士有陈廷福、刘思荣、封得胜、马朝龙等90余人。当天下午，驻守在紫竹林租界的洋兵怕遭报复，便先发制人，进攻近对租界的天津北洋武备学堂。
北洋武备学堂是清政府培养军官的学校。该校总监荫昌早已躲进租界，教职员也多数不知去向，300多学生中尚有90余人守留学校。敌人进攻后，遭遇学员顽强抵抗，这一批年轻军官几乎全部阵亡。这时驻守天津的清军也迅速行动起来，见北洋武备学堂学员大多战死，义愤填膺，立即将炮口对准紫竹林租界，猛烈还击。
这一场炮火，把直隶总督裕禄也逼上了抵抗的战场。他本来是主和派，这时也改变了态度，调兵遣将，战绩赫然一时。
六月十二日（7月8日），日军、英军、法军、俄军抢先分头冲进租界。随后，6000多名日英法俄联军猛攻聂士成所部清军。聂军抵挡不住，退至八里台，终为联军包围。激战两个多小时，清军伤亡剧增。聂士成两腿中弹，部下要他后撤，遭到他严厉拒斥，他振呼：“此吾致命之所系，逾此一步非丈夫矣！”奋臂驱马向前，终于壮烈殉国。聂士成阵亡后，清军溃退，战死约350多人。义和团战死达2000余众之多。
六天之后，天津沦陷。联军在天津成立了天津都统衙门（临时政府），进行了殖民统治。此时，联军在天津休整，补充兵力、弹药，准备向北京进犯。
七月十日（8月4日），八国联军离开天津，沿运河两岸进犯。
沿路，北仓、杨村的清军防线被很快击破。清军守将宋庆、马玉昆率部节节后撤。这时，新任帮办武卫军事务大臣李秉衡临危受命，奉旨迎敌。他临行前慷慨立誓：“宁为国而捐躯，勿临死而缩手。”
光绪二十年（1894），中日甲午战争爆发。李秉衡因威海、荣成失陷，受到朝廷处分。二十三年（1897），李秉衡又因组织军民抵抗德国借口巨野教案在胶州湾登陆，被朝廷撤职。
光绪二十六年（1900），李秉衡被张之洞保荐重新被起用，任长江巡阅水师大臣。并参与东南海防互保事务。
七月十二日（8月9日），李秉衡离京上阵，只带少数幕僚和数百义和团，指挥归他节制的几支勤王部队。
第二天，他率兵行至天津西郊运河码头，令所部清军，一一部署阵线。安排完毕，未及喘息，八国联军已发动进攻，火力甚猛。李秉衡仓促应战，但防御工事尚在构筑，枪弹匮乏，没有大炮，力不能支，且战且退。清军伤亡惨重，李秉衡的副将杨得胜也阵亡了。
从早晨到中午，双方不断厮杀。李秉衡身临前敌，终日督战。曾一度击退联军。无奈敌人大炮显威，他被迫撤退。在后无援军的情况下，马玉昆余部又临阵脱逃。李秉衡火速奏诉朝廷，对此万分感慨：“臣自少至老屡经兵火，实未所见。兵将如此，岂旦夕之故哉。”
他在奏折中仍力陈军中所弊，分析转危之道，诚述求援之切，并再发誓言：“竭弹心力，招募散亡，誓死前进，迎剿堵截。”
次日朝廷仍没派援兵，八国联军兵力猛增，李秉衡已成为光杆将军。他身边除了几个幕僚外，别无一兵一将。在悲愤绝望中，他退守通州，在通州张家湾服毒投水自尽。此日，通州失陷，北京就暴露在八国联军面前。李秉衡也成为抵抗八国联军为国捐躯的第一个福山人。
七月十四日（8月13日），八国联军在通州烧杀抢掠之后，在通州稍加休整，共集结各国军队共二万余众，便成群结队向西，向南开进，进逼京城，先是围攻齐化、东直门、广渠各门。此时，王懿荣在东直门和朝阳门组织抵抗。次日，上午辰时，八国联军日本、俄国方队距东直门约有一箭之地外，其中列队几个军官用望远镜朝东直门看了一会，举起指挥刀，一队炮队立在方队前列，看到指挥刀向空中一劈，一阵阵猛烈炮火将东直门的城墙炸开一个大豁口，成队的洋兵在炮火稍停时，便从后面豁口拥进。守城将士有的从死人堆里爬出，与敌人展开肉搏……从凌晨开始，八国联军对北京发起一次次攻击。俄军猛攻东直门，日军又攻朝阳门，美军攻广渠门。英军于中午始达北京，与美军合攻广渠门。下午至晚九时许，东直门、朝阳门皆破。王懿荣败回家中。
这时，慈禧连续五次召见军机大臣。
然而，头次召见，大学士九卿没有一个来的。慈禧对载澜悲叹道：“事已至此，只有走吧！不知你能否守住？”
载澜忙答：“臣无兵，不胜任此。”
到深夜，也只有刚毅、王文韶、赵舒翘三人来见。慈禧悲中有怒：“只剩下你们三人在此，别人都回家啦，扔下我们母子不管，你们三人一定随驾同行。”
此间，荣禄献策曰：“权且送信给使馆，请先停战，再慢慢图救议和，也许是最好的办法了。”
慈禧应允，催荣禄赶快去办。